Funktionale Eigenschaften einer Co-Ni-Ga Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung

Eines der vielversprechendsten Materialsysteme unter den Hochtemperatur-Formgedächtnis-legierungen (HT-FGL) ist die Heusler-Legierung Co-Ni-Ga, die insbesondere aufgrund ihrer herausragenden pseudoelastischen Eigenschaften bis zu Temperaturen von 500 °C für die Verwendung als Hochtemperatur-Dämpfungselement äußerst interessant ist. Für das Leistungsvermögen sind letzt-endlich jedoch die mikrostrukturellen Eigenschaftsmerkmale von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von nano-skaligen Ausscheidungsteilchen, chemischer Ordnung und Korngrenzen auf das funktionale Materialverhalten untersucht. Unter Verwendung hochauflösender licht- und elektronen-mikroskopischer Verfahren sowie der Neutronendiffraktometrie wurden tiefgehende Einblicke in grundlegende mikrostrukturelle Mechanismen und das Phasenumwandlungsverhalten gewonnen. Diese skalenübergreifende Charakterisierung, die sowohl an ein- als auch vielkristallinen Strukturen erfolgte, ermöglichte schließlich die Erarbeitung eines umfassenden Verständnisses der komplexen Wechselbeziehungen zwischen der (prozessinduzierten) Mikrostruktur, der martensitischen Phasenumwandlung und dem makroskopischen Materialverhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass im Co-Ni-Ga System mit Hilfe einer Auslagerungswärme-behandlung in der austenitischen Hochtemperaturphase die funktionalen Eigenschaften im Hinblick auf die Verwendung als Dämpfungsmaterial maßgeschneidert werden können, wobei die Morphologie nanoskaliger Ausscheidungsteilchen (Form und Größe) einen essentiellen Einfluss auf die Spannungshysterese und die zyklische Stabilität des pseudoelastischen Effekts hat. Eine Wärmebehandlung in der gezielt durch eine mechanische Last eingestellten martensitischen Tieftemperaturphase birgt hingegen das Potential, die Phasenumwandlungs-temperaturen infolge einer diffusionsgesteuerten Änderung der symmetriekonformen Nahordnung signifikant zu erhöhen und damit Co-Ni-Ga auch für die Hochtemperatur-Aktorik zu qualifizieren. Mit den Forschungsbemühungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist der erstmalige Funktionsnachweis dieser Prozedur unter Zugbeanspruchung gelungen. Die Charakterisierung der Schädigungsentwicklung an Korngrenzen unter pseudoelastischer Verformung und die Identifizierung besonders versagenskritischer Korngrenzanordnungen zeigen letztendlich die Notwendigkeit zu einem gezielten Korngrenzdesign in diesem stark anisotropen Materialsystem auf. Mit dem Strangpressen und dem Laserauftrag-schweißen werden zwei äußerst vielversprechende Prozessrouten etabliert, die ein solch gezieltes Design der Mikrostruktur erlauben, woraus vielkristalline Co-Ni-Ga Strukturen mit teils hervorragenden funktionalen Eigenschaften resultieren.